采用不同滑面材料的滑坡模型试验研究＊

刘洪佳,门玉明,李寻昌,闫金凯,张 涛

(长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054)

0 引言

当前,随着我国房建、公路、铁路、水利等工程不断迅猛发展,滑坡出现的概率也呈扩大趋势,并且其类型越来越多,规模越来越大,模式也越来越复杂,由此引发的灾害和损失都难以估量。如不采取支挡措施,将会造成巨大的人员伤亡和经济损失。

目前,滑坡的支挡措施很多。对一些大型滑坡或正在活动着的滑坡来说,抗滑桩、锚杆格构以及其组合结构锚杆抗滑桩都具有立即阻滑的作用,在实际工程中也取得了很好的效果,但其设计理论跟不上工程应用的范畴。鉴于此,国内外许多学者开展了一定的模型试验研究。李明华[1]较早对滑坡模型试验分类进行了研究,宋克强等[2]则主要是针对黄土滑坡的模型试验进行了研究。近年来,也出现了不少研究成果。如曾云华等[3]对锚杆抗滑桩的研究,雷文杰等[4]对沉埋桩的研究,杨雪莲等[5]对锚索框架梁进行了现场试验研究,Deeken,John[6]和Andrew Z.Boeckmann[7]对微型桩加固边坡的模型试验的研究。但由于岩土体参数的不确定性,试验条件的局限性以及其他因素,使得许多试验虽然提供了一些有用的研究成果,但与试验初衷还有一定的差距。在所有的因素中,滑带土的选择尤为重要,因为它是影响滑坡稳定与否的关键因素。此外,它对模型试验的成功与否,尤其是支挡结构模型试验所得出的结论起着至关重要的作用。为了系统研究滑坡与支挡结构的相互作用,本课题组近年来在自然科学基金项目和国土资源大调查项目的支持下,开展了一系列模型试验研究[8-11],本文重点在于介绍不同滑面材料的滑坡稳定性模拟试验及其研究成果。

1 试验模型概况

1.1 试验准备

(1)模型箱

模型试验在3 m×1.8 m×2.2 m(长×宽×高)的模型箱内进行,模型箱由角钢和高密度板制作而成。试验中滑床和滑体的材料均采用黄土进行填筑,黄土取自西安市南郊,其设计重度为18 kN/m3。滑面为预先布设圆弧型滑面,分别采用草木灰、单层塑料薄膜和双层塑料薄膜三种材料来模拟滑面。草木灰重度为16 kN/m3,含水量为10%,厚度为5 mm,塑料薄膜采用厚度为0.12 mm的聚乙烯塑料薄膜。

(2)测试设备

在试验中,模型中滑体的状态及其位移变化曲线是后期分析滑坡的稳定状态的重要依据。因此,试验中,采用位移计对坡体的竖向及水平位移进行监测,位移测试采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH3815N静态应变测试仪,在模型的坡面上布设监测点见图1。

图1 模型尺寸及土体位移监测布置(单位:mm)

(3)工况

本次试验共分五组。按滑体形状不同,分为试验Ⅰ和试验Ⅱ。同时,按滑面材料不同,试验Ⅰ包含三种工况,分别采用了草木灰、单层塑料薄膜和双层塑料薄膜做滑面材料;试验Ⅱ包含两种工况,只选用了草木灰和双层塑料薄膜。每组的滑坡模型尺寸如图1所示。然后将这两组试验数据进行了对比。

(4)加载方式及原理

试验采用堆载法,在滑坡的顶部采用50 kg的沙袋来模拟载荷。设计堆载增量为5 kPa,根据监测数据动态调整加载量,绘制数据曲线,待数据稳定后再进行下一次加载,直至滑体发生滑动,试验最大加载量为50 kPa。

为避免沙袋堆载过高造成的危险,本次试验中采用先在滑体顶部铺两层沙袋,再在这两层沙袋上放置木板,以增加顶面积,这样可以达到在一定荷载量的情况下,降低沙袋堆载高度。两组试验加载方式相同,图2为试验Ⅰ的堆载示意图。

图2 试验Ⅰ堆载示意图

对于不同工况的滑坡模型,如其填筑后稳定,则通过对其坡顶逐级堆载,增加滑体的下滑力,直至滑体发生滑动;根据试验得到的位移曲线中位移突变,判定滑体的极限平衡状态,同时根据其坡顶的堆载量及模型的物理几何参数,来反算滑面材料的相似抗剪强度。

1.2 试验步骤

(1)安装模型箱,在模型箱内壁上铺设一层塑料膜;在模型箱内壁塑料膜上,画出滑面和滑体的轮廓线,以及从底部往上每隔10 cm,画上平行线尺度标记。

(2)滑床部分分层填筑黄土。每10 cm填筑一层,整平、夯实,取土样测试其重度;土体填筑完成后,依所作滑面轮廓线制作滑面。

(3)在滑面布设滑面材料。再在模型分别铺设一层塑料膜,减少模型箱对滑体的摩擦。

(4)分层填筑滑体部分黄土。每10 cm填筑一层,整平、夯实,取土样测试其重度,布设传感器。

(5)土体填筑完成后,依据试验设计的坡面轮廓线制作坡面。

(6)布设位移计,并连接数据采集测试仪,测试各测试仪器初值。

(7)坡顶逐级加载,并分别定时记录压力传感器及位移计数据,直至滑体失稳滑动。

(8)拆除模型,进行下一个试验,或试验结束。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

通过试验,发现采用不同材料作为滑面的模型,各个模型的最终状态、堆载量有很大的差异。

对于试验Ⅰ:采用草木灰做为滑面材料时,至试验结束滑体没有出现滑动;采用单层塑料薄膜时,堆载量达到一定程度时,模型发生滑动;采用双层塑料薄膜时,当试验滑体模型填筑至1 430 mm时,发生了滑动。

对于试验Ⅱ:采用草木灰做为滑面材料时,至试验结束滑体没有出现滑动;采用双层塑料薄膜时,模型在滑体制作完成时发生滑动,竖直方向位移约5 mm后稳定,对滑坡进行堆载,在堆载量达到2.4 kPa时,滑体发生加速下滑。对试验过程进行分析,得到每组试验滑体的初始状态、最终状态及最终堆载量(表1)。

表1 每个模型的最终堆载量及稳定性

2.2 土体位移变化分析

试验的每一组试验的位移变化可见图3。

试验Ⅰ:

由图3a可见,对于采用草木灰做为滑面材料时,其滑体位移随着堆载量的增加,变化量较小,而且没有明显位移突变点。

而对于图3b,采用单层塑料薄膜做为滑面材料时,其滑体位移随着堆载量的增加,变化量较大。当堆载量为20 kPa时,滑体位移变化出现突变,并加速增大变化,最后模型发生滑动。

当采用双层塑料薄膜做为滑面材料时,由于滑体在填筑至1 430 mm高度时,还未来得及安放位移计就突然发生滑动,因而未能测量到位移变化。

试验Ⅱ:

由图3c可见,采用草木灰做为滑面材料的试验,滑体位移变化曲线相似于同试验Ⅰ的工况一。

对于图3d,采用双层塑料薄膜做为滑面,模型在滑体制作完成时滑动了一定位移,稳定后对滑坡进行堆载,在堆载量达到2.4 kPa时,滑体发生加速下滑。

图3a与图3c中滑体的水平向位移曲线中有一定的突变,但是由于突变量较小仅为2 mm左右,且由于持续时间较长,图3a的突变时间约为75 h,而图3c的突变时间约为50 h,并不是短时间的大位移突变,而且在一定时间后竖向位移趋于稳定,可认为是滑体土在堆载作用下的固结。

图3 滑体的位移变化

2.3 滑面材料的抗剪强度分析

土体的抗剪强度指标,特别是滑面的抗剪强度指标,无论是对滑坡治理设计来说,还是对模型试验而言,都是一个非常重要的参数。因此,通过分析各个试验的堆载量及滑体的位移变化,可以确定滑坡模型的极限平衡状态,根据极限状态时模型的堆载量,利用Bishop法进行反算,从而确定不同滑面材料的相似抗剪强度,再来确定初始状态时滑坡模型的稳定系数。试验初始状态稳定系数及抗剪强度的结果见表2。

表2 滑面材料的抗剪强度

采用草木灰做滑面材料时,试验结果显示,当试验开始和结束时,模型均处于稳定状态。可见草木灰做滑面材料时,相似抗剪强度较大。此外,当试验的最终堆载量达到最大时,模型滑体仍然处于稳定状态,无法确定模型的极限状态,鉴于此,也就无法确定采用草木灰的滑面其抗剪强度。

采用单层塑料薄膜做滑面材料时,主要的阻滑力由滑体的土体与单层薄膜之间的摩擦力提供,试验开始时模型处于稳定状态,堆载到一定程度时模型发生滑动,把此时的滑坡体状态认为是极限状态,根据其坡顶的堆载量及模型的物理几何参数,反算出其抗剪强度。此滑面材料的相似抗减强度也较大,滑面材料提供了一定的阻滑力;当堆载量达到20 kPa时,滑体的下滑力等于阻滑力,模型达到极限状态,发生滑动。单层薄膜的相似抗剪强度见表2。

采用双层塑料薄膜做滑面材料时,主要的阻滑力由塑料薄膜与塑料薄膜之间摩擦力提供。由于试验开始处于极限平衡状态(不稳定状态),试验Ⅰ中,在填筑至1 430 mm时,滑体发生滑动,认为此时滑体模型处于极限状态,根据模型的物理几何参数,反算得到滑面材料的相似抗剪强度;根据相似抗剪强度得到模型填筑完成后,滑坡模型的稳定系数为0.96[7]。试验Ⅱ中,在填筑完成时发生了一定滑动后稳定,且由于竖直方向仅5 mm,因此认为模型初始状态稳定,加载2.4 kg时,滑体处于极限状态。同样,根据其坡顶的堆载量及模型的物理几何参数,反算得到滑面材料的抗剪强度,见表2。

可见,对于三种滑面材料来说,采用双层塑料薄膜的相似抗剪强度比较小。

3 结论

本文以黄土堆载法模型试验为背景,研究了不同滑面材料对滑坡的稳定性及剩余下滑力的影响,得出以下结论。

(1)采用草木灰做滑面材料时,滑体处于稳定状态;采用单层塑料薄膜做滑面材料时,滑体处于较稳定状态;采用双层塑料薄膜做滑面材料时,滑体处于极限平衡状态。

(2)本试验通过堆载来增加滑体的下滑力,当模型达到极限平衡状态之后,其后堆载的增量才能使模型产生剩余下滑力。对比分析后发现,由于试验开始时,采用双层塑料薄膜做为滑面材料的模型处于极限状态,能最大程度地利用堆载所产生的下滑力。因此,建议在后继的滑坡支挡模型试验中,采用双层塑料薄膜做滑面材料。

(3)对于两组实验中,采用双层塑料薄膜做滑面材料的模型,其通过计算得到的滑面材料的相似抗剪强度不同。虽然试验一与试验二的双层薄膜的材料相同,但是,由于滑面的形状不同,它们的强度参数也有一定的差别。因此当滑坡的滑面形态改变时,应进行该滑面的模型试验,从而来确定该滑面时的相似抗剪强度。在进行滑坡支挡结构与土的相互作用的试验之前,应该进行滑坡模型的参数实验,来确定试验中所用到的相似抗剪强度指标。

[1] 李明华.滑坡模型实验概况及其展望[J].地球科学进展,1986,12(4):28-33.

[2] 宋克强,孙超图,袁继国,等.黄土滑坡的模型试验研究[J].水土保持学报,1991,5(2):14-21.

[3] 曾云华,郑明新.预应力锚索抗滑桩的受力模型试验[J].华东交通大学学报,2003,20(2):15-18.

[4] 雷文杰,郑颖人,王恭先,等.沉埋桩加固滑坡体模型试验的机制分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(7):1347-1355.

[5] 杨雪莲,周永江,何恩明.框架预应力锚索在滑坡加固中的现场试验研究[J].灾害学,2009,24(2):37-40.

[6] Deeken John.Large scale laboratory testing of model slopes with slender reinforcement[D].Columbia:University of Missouri-Columbia,2005.

[7] Andrew ZBoeckmann.Load transfer in micropiles for slope stabilization from tests of large-scale physical models[D].Columbia:University of Missouri-Columbia,2006.